自由分配定律（Mendel's Second Law）在分子層面描述的是位於不同染色體（或同一染色體上足夠遠的位置）的基因座之間配子頻率的獨立性。形式化表述：對於兩個基因座 A 和 B，若 freq(AB gamete) = freq(A) × freq(B)，則兩基因座呈自由分配（連鎖不平衡 D = 0）。
減數分裂的分子機制與隨機性來源
自由分配的隨機性來源於紡錘體微管與動粒（kinetochore）的隨機附著。在減數分裂 I 前期，每一對同源染色體的雙價體（bivalent）獨立地在紡錘體赤道板上定向。有 n 對同源染色體時，有 2ⁿ 種等機率的排列方式。
然而，嚴格的「獨立性」需要兩個條件：(1) 基因位於不同染色體；(2) 沒有減數分裂驅動（meiotic drive）或偏斜分離（segregation distortion）。減數分裂驅動指某些等位基因「作弊」——在減數分裂中以超過 50% 的機率進入功能性配子。果蠅的 Segregation Distorter（SD）系統和小鼠的 t-haplotype 都是經典案例。SD 系統中，SD 染色體上的 Rsp（Responder）和 E(SD)（Enhancer of SD）協同使帶有 Rsp^s（敏感型）的精子功能障礙，使 SD 染色體的傳遞率高達 >95%。
連鎖不平衡（Linkage Disequilibrium, LD）
對於同一染色體上的基因座，自由分配的程度取決於遺傳距離。LD 的量化指標：
D = freq(AB) - freq(A) × freq(B)
標準化的 D' = D / D_max，其中 D_max 取決於等位基因頻率。另一常用指標 r² = D² / [freq(A)×freq(a)×freq(B)×freq(b)]，r² 同時反映 LD 程度和等位基因頻率的匹配程度。
LD 的衰減速率取決於重組率和世代數：D_t = D₀(1-c)^t，其中 c 為重組率，t 為世代數。在人類基因體中，LD 的平均延伸範圍約 10-100 kb（非洲族群較短，因為有效族群大小較大且歷史較長），這是 GWAS 使用 tag SNP 策略的理論基礎。
互換的分子機制
減數分裂重組由程式性 DNA 雙股斷裂（DSB）啟動，由 SPO11（一種拓撲異構酶 II 同源物）催化。DSB 修復走 Holliday junction 路徑可產生互換（crossover, CO）或非互換（non-crossover, NCO / gene conversion）。互換受到正干涉（positive interference）——一個 CO 抑制鄰近區域再發生 CO，由 Kosambi 圖距函數建模。每條染色體每次減數分裂至少有一個「義務互換」（obligate crossover），確保同源染色體正確分離。
PRDM9 蛋白是決定人類重組熱點（hotspot）位置的關鍵鋅指蛋白。PRDM9 的鋅指結構域演化迅速，導致重組熱點在物種間和族群間位置不同（Baudat et al., 2010; Myers et al., 2010）。有趣的是，重組熱點本身面臨「自毀悖論」——熱點等位基因因 biased gene conversion 而被轉化為非熱點等位基因，需要 PRDM9 的持續演化來產生新的熱點。
自由分配與 GWAS 設計
GWAS 的統計效力依賴 tag SNP 與因果變異之間的 LD。若因果變異與 tag SNP 的 r² = 1，兩者等價；若 r² < 1，需要更大的樣本量（所需樣本量 ∝ 1/r²）。全基因體的 SNP 晶片設計（如 Illumina Global Screening Array）基於 HapMap/1000 Genomes 的 LD 圖譜，選取能捕捉大部分常見變異的 tag SNP。不同族群的 LD 結構差異意味著為歐洲族群設計的晶片可能無法充分捕捉非洲族群的遺傳變異——這是 GWAS 多樣性不足的技術原因之一。
教學連結
自由分配定律是理解連鎖分析、遺傳作圖和 GWAS 的基礎。偏離自由分配（LD > 0）提供了基因定位的資訊；完全自由分配（LD = 0）則是遺傳漂變和選擇分析中的虛無假設。